3D打印技術在食品加工領域中的應用

師平，白亞瓊

西安航空職業(yè)技術學院（西安 710089）

3D打印技術作為現(xiàn)代科技發(fā)展的產物之一，按照產品的三維模型數(shù)據(jù)，分層打印、逐層疊加，從根本上解決現(xiàn)有制造方式材料利用率低、能耗高、產品形態(tài)相對固定的缺陷；是第三次工業(yè)革命的重要代表性技術之一，其從根本上實現(xiàn)產品的自由化制造和個性定制化生產，在眾多的工業(yè)生產領域中均得到廣泛應用[1-2]。在食品加工領域，色香味俱全的食物被人們視為“成功食物”的重要標志，完美的食物外觀與健康的食材配比愈來愈成為人們對于食物的完美追求[3]。

將具有個性化和自由制造特點的3D打印技術與食品加工技術相結合，在食物外觀方面可實現(xiàn)食物的個性化制作，進一步提高人們的飲食樂趣和生活品質；在食材選用方面，依據(jù)人類健康大數(shù)據(jù)在計算機的控制下實現(xiàn)食材配比的自由控制，從而制作得出滿足不同人群需求的食品，如嬰幼兒、青少年、老年人、患者等[4]。因此在食品加工領域中，3D打印技術的不斷融入將成為現(xiàn)代食品加工技術發(fā)展的重要方向之一，3D打印食品技術具有良好的發(fā)展前景，極有可能發(fā)展成為現(xiàn)代人類生活不可或缺的一部分，將使得人們的生產生活方式發(fā)生翻天覆地的變化。

1 3D打印技術的基本原理與發(fā)展趨勢

1.1 3D打印技術的基本原理

3D打印技術作為近年來發(fā)展迅速的新型制造技術，其基于三維數(shù)據(jù)模型驅動，在計算機的控制下有選擇、有規(guī)律的堆積累加材料，由點至線、由線至面、由面至體逐級打印制作，從而完成對應產品的立體打印制造[5]，基本原理與流程如圖1所示。

圖1 3D打印基本原理與流程

1.2 3D打印技術的發(fā)展趨勢

3D打印技術作為一種具有劃時代意義的先進制造技術，誕生于20世紀90年代，首先被應用于具有定制化特征的工業(yè)化零部件制造領域，其作為一種增材制造技術，與傳統(tǒng)的減材制造、等材制造相比，雖然制造成本相對較高，其在材料利用率、能源消耗以及加工制造效率方面均有極為明顯的優(yōu)勢，并且該技術不受相關模型復雜程度的影響，在制造范圍及自由化制造程度方面同樣具有不可替代的優(yōu)勢；但隨著科學技術的不斷進步，3D打印制造工藝種類、應用材料范圍、應用范圍的普適性均得到普遍的進步與發(fā)展，應用領域也從單一的機械制造領域，逐漸發(fā)展至航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、土木建筑、食品加工等眾多領域，尤其是在個性化定制程度相對較高的工藝品和食品加工制造領域表現(xiàn)得尤為突出，近年來得到迅速發(fā)展與進步[6-10]。

從表1可以看出，3D打印技術的應用領域越來越貼近人們的日常生活，與衣食住行之間的關系變得更加緊密，3D打印技術已逐漸走進尋常百姓家；而食品作為生活的必需品，隨著人們生活水平的不斷提高，對于食物的追求不斷提高，3D打印技術與食品加工技術相結合形成的食品3D打印技術必將成為3D打印技術下一階段的主要發(fā)展趨勢之一。

表1 3D打印技術的應用領域

2 3D打印技術在食品加工領域中的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術在食品加工領域中的應用最早起源于西方國家，第一臺商用化的食品3D打印機Foodini誕生于西班牙牙Natural Machines公司，其基于傳統(tǒng)打印機的原理結合3D打印技術，將食物所需的各類原材料以乳化液的形式存儲于“墨盒”中，在計算機的控制下分層打印疊加形成具有一定形狀特征的個性化定制食物，但其在食品加工過程中不能對食材進行完全的“烹飪”，因此在食物的口感以及接受度方面均受到一定限制[11]。但隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，各類3D打印工藝蓬勃發(fā)展，越來越多的3D打印技術逐漸融入到食品加工領域，如最為常見的FDM工藝和SLS工藝等；常見的食品3D打印技術其所依賴的食材成型原理有物理粘接、加熱擠壓成型固化及融化冷卻在凝結等。

2.1 物理黏接成型

利用物理粘接原理所形成的食品3D打印技術，其主要應用各類粉末材料食材在以各類可食用水溶液的作用下，通過粉末間的互相粘接作用形成具有一定個性化形狀特征的食品；最具有代表性的3D打印設備為3D Systems公司研制Chefjet食品3D打印機，其主要用來打印各類個性化糖果[12]，其打印原理及過程如圖2所示。利用該技術，荷蘭Advander Geest等采用蔗糖粉末和糊精作為食材，使用由水和乙醇混合溶液制成的可食用油墨作為粘接劑，研發(fā)一種個性化的食品打印機，其不僅可用來制作個性化糖果，同時根據(jù)用戶的需求改變食材成分，如添加其他微量元素或藥物等，制成具有定制化特征的保健品或藥品等[13]；其次在醫(yī)療衛(wèi)生方面，2015年由賴斯大學和賓夕法尼亞大學組成的科研團隊使用糖作為成型材料，硅膠溶液作為粘接劑，成功打印制作一種基本型的血管系統(tǒng)，利用糖的可降解特征，成功地打印了用于活體血管移植所用的成血管灌注通道[14]。

2.2 熱融/室溫擠壓成型

利用加熱融化/室溫擠壓成型固化原理進行食品3D打印作為最為主流的食品3D打印方式，其主要基于FDM成型工藝，在一定溫度下對食材進行加熱融化，使其變成具有半固化特征的流體，在外部壓力的作用下進行擠壓固化成型，或在常溫環(huán)境中使用半固體食材直接擠壓成型[15]；FDM工藝成型原理及食品打印過程如圖3所示。

圖3 FDM工藝成型原理及食品打印

利用該技術進行食品加工最早由美國康奈爾大學的科研人員使用奶酪和巧克力等食材，在一定溫度下進行保溫使其處于半固體狀態(tài)，將其預先放入“注射器內”，根據(jù)食物的三維模型數(shù)據(jù)在計算機的控制下進行食品打印，制作出具有個性化定制特征的甜品[16]；在蔬菜食品制作方面，沈陽農業(yè)大學王明爽等[17]已以淀粉作為基材，將綠色蔬菜提前進行粉碎處理與淀粉進行混合攪拌形成糊狀食材，利用3D打印技術成功加工具有個性化特征的食品；在肉食品加工方面，潘禹希等[18]對3D打印肉食品加工技術進行研究，分別對肉食品打印工藝、食材配方、食材優(yōu)化等方面進行分析與探討，得出合理的打印工藝參數(shù)及食材配方；在個性化糖果加工制造方面，楊來俠等[19]以蔗糖作為基體材料，研究打印工藝參數(shù)對蔗糖打印效果的影響，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合及個性化打印糖果產品。

2.3 選擇性激光/熱風燒結成型

采用融化冷卻在凝結原理的食品3D打印技術，其主要在SLS成型工藝的基礎上，利用固體粉末材料、面糊狀材料在外部能量的作用下進行融化冷卻再凝結和直接加熱固化的特征，分層打印累加制作，從而形成具有個性化特征的食品[20]，其原理如圖4所示。在該種食品打印方面的研究中，TNO公司以糖與脂肪混合物作為食材，在激光的作用下對食材進行有選擇性的融合，成功制得具有個性化特征的能量食品制作[21]；Candy Fab采用具有低熔點特征可可粉、蔗糖等食材，在熱風的作用下進行有選擇性的融化，層層累加制造，并在室溫環(huán)境下進行冷卻凝固，以制得相關個性化甜品[22]；西安交通大學研究團隊對以蔗糖作為基體食材，利用該工藝進行食品制作的工藝及食材配比等進行研究，得出一系列具有應用價值的食材配方及有效工藝參數(shù)[23]。

圖4 選擇性激光/熱風燒結成型

3 3D打印食品技術面臨的挑戰(zhàn)

雖然食品3D打印技術在近年來取得突破性進展，但要將其在更大范圍內進行推廣，使其變成一種更加親民的普惠性技術，還面臨著眾多挑戰(zhàn)，主要在于以下幾方面。

3.1 安全性

“民以食為天”，食品安全關乎人們的身體健康和生命安全，因此3D打印食品必須百分之百地保證其的安全性，保證3D打印食品的安全性與傳統(tǒng)烹飪方式有著明顯的差異，3D打印食品的安全性保證不僅要保證食材及加工設備的安全與健康，同時還需時刻警惕在加工過程中食材變性而引起的不安全因素。

3.2 成本和速度

隨著科技的發(fā)展，3D打印技術在生產成本上已得到大幅的下降，但與傳統(tǒng)的食品加工方式相比，3D打印食品技術在食品的批量化、規(guī)模化生產速度和成本方面具有相當劣勢；但這些劣勢隨著人工成本的不斷上升，必然會得到一定的緩解，此外在具有個性化、定制化特征食品的加工制造方面，3D打印食品技術因其“自由化制造”的優(yōu)勢而具有一定優(yōu)勢。

3.3 食品口感

由于3D打印食品技術的固有特征，3D打印食品的口感與傳統(tǒng)烹飪食品之間存在著極為明顯的區(qū)別，而食品的口感是該技術被大眾接受的必要條件；因此如何保證3D打印食品的口感更能滿足人們味蕾的要求將是下階段科學家們需考慮和重視的一個重要問題。

3.4 食材種類的限制

3D打印食品技術由于其加工特點的限制，在食材選擇方面受到的局限性較為嚴重，僅能接受液體、固體粉末及半固體糊狀食材，因此在進行食品制作時人們必須將傳統(tǒng)的食材進行一定的加工才可滿足使用要求，進而導致可打印制作的食品種類相對較少，餐桌上常見的菜肴還難以直接打印制作，這無疑會對3D打印食品技術的應用于推廣產生限制。

除以上幾點之外，如何打破消費者的心理障礙、如何降低3D打印食品與傳統(tǒng)食品之間的差異、如何提高3D食品打印設備的可操作性性也是未來科學家們面臨的眾多挑戰(zhàn)。

4 3D打印食品技術的發(fā)展趨勢

將3D打印技術與食品加工技術相結合形成的食品3D打印技術，既是3D打印技術面向大眾，走進群眾的又一次發(fā)展與進步，同時也是食品加工技術又一次跨越式的發(fā)展，同時一定程度上會使得人們的飲食習慣發(fā)生翻天覆地的變化，追求溫飽不會再是人們對于飲食的唯一要求，如何吃得更健康、更有趣味、更個性成為人們對于食品的新追求；食品3D打印技術必將成為未來食品加工技術的主要發(fā)展方向之一[24-25]。

在應用領域方面，食品3D打印技術通過顛覆性的分層打印疊加成型技術不僅在食品加工領域中得到發(fā)展，同時還可擴展到藝術品加工、醫(yī)學、航空航天、軍事等領域[26]。例如在藝術品加工領用利用食品3D打印技術進行糖畫、糖人的制作，傳統(tǒng)的二維糖畫可完成向三維畫作的轉變，糖人的制作也不再受到工匠手藝、模型復雜程度的影響，使得傳統(tǒng)文化藝術得到新的發(fā)展；在醫(yī)學領域可借助食品3D打印技術中食材配比可調節(jié)、食品狀態(tài)可控制的特征，針對不同病患的需求定制化的生產醫(yī)療保健食品，進一步幫助患者更加快速的康復，同時利用食品級材料的生物相容性和可溶解性，制作用于生物組織培養(yǎng)、人體軟組織移植物制造等，如使用由玉米糖漿水溶液與葡萄糖混合材料打印用于醫(yī)療生物培養(yǎng)領域中的生物血管網模板；在航空航天領域，利用食品3D打印技術打印符合航天員自身需求的食品，同時因為3D打印食材不受食物保質期及傳統(tǒng)食材所占空間大的缺陷影響，在未來航天載人甚至是太空移民等眾多外太空活動中具有相當?shù)膬?yōu)勢與應用價值，如2014年美國NASA針對空間站常駐人員的飲食健康問題而開發(fā)的太空食品3D打印設備，其可根據(jù)航天員實時身體狀態(tài)的需求完成食品的定制化生產；在軍事領域利用其制作食物不受空間及外部環(huán)境影響的特征，為戰(zhàn)時軍事人員提供可靠的飲食健康及安全保障。因此可以看出當前食品3D打印技術已逐漸發(fā)展和蔓延至人們生產、生活的各個方面，同時在未來極有可能成為新一次“工業(yè)革命”的爆發(fā)點[27-28]。

5 結語與展望

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，健康飲食與時尚飲食成為現(xiàn)代人追求的新目標，“吃得好”不僅體現(xiàn)在食材的豐富度，也體現(xiàn)在更為健康的膳食匹配及更為美觀的食品外觀。3D打印技術作為一種具有自由化制造特征的制造技術，將其與食品加工技術相結合形成具有個性化定制特點的食品加工新技術，可針對不同人群的需求，對食材配比、外觀形貌、食物類型做出個性化的定制；隨著科技的發(fā)展，3D打印食品設備在食品安全、可操作性及便捷性等方面均會得到突飛猛進的發(fā)展，3D打印食品技術將成為“解放人類雙手”的重要工具；雖然現(xiàn)階段3D打印視頻技術面臨著各種嚴峻考驗，但不可否認的是未來3D打印食品技術會極有可能發(fā)展成為現(xiàn)代人類生活不可或缺的一部分，將使得人們的生產生活方式發(fā)生翻天覆地的變化。